Steinehüpfen auf einer Wasserfläche ist ein uraltes Spiel, aber ein besseres Verständnis für die daran beteiligte Physik zu entwickeln, ist entscheidend für ernsthaftere Dinge – beispielsweise Wasserlandungen nach dem Wiedereintritt von Raumschiffen oder Flugzeugen.
Im Journal Physics of Fluids zeigen Wissenschaftler mehrerer chinesischer Universitäten verschiedene Schlüsselfaktoren, die die Anzahl der Abpraller eines hüpfenden Steins oder eines landenden Flugzeugs bei der Landung auf dem Wasser beeinflussen.
Zu der Studie gehörten theoretische Modelle und ein einfaches Experiment mit einem Modellstein, um Daten in Echtzeit zu sammeln. Die Autoren nutzten eine Aluminiumscheibe als Ersatz für den Stein und entwarfen einen Abschussmechanismus auf Basis von Luftdruck aus einem Kompressor, um die Geschwindigkeit zu steuern, mit der die Scheibe auf das Wasser trifft.
Frühere Studien hatten bereits ergeben, dass die Rotation des Steins entscheidend dafür ist, ihn zum Hüpfen oder Abprallen zu bringen. Daher beinhaltete das Experiment außerdem einen Motor, der vor dem Abschuss eine kontrollierte Rotation auf die Scheibe überträgt. Zusätzlich besaß die Scheibe eine Nylonkappe mit einem Navigationsmodul, um die Daten während des Fluges zu messen und sie über eine Bluetooth-Verbindung an einen Computer zu senden.
Die Autoren beobachteten zwei Bewegungsarten, nachdem die Scheibe auf die Wasseroberfläche prallte: Hüpfen und Surfen. Bei letzterer gleitet die Scheibe die Wasseroberfläche entlang, ohne zu Hüpfen.
Ein wichtiger Wert bei der Bestimmung, ob die Scheibe hüpfen kann, ist die vertikale Beschleunigung. Wenn diese Beschleunigung die vierfache Gravitationsbeschleunigung (g) übersteigt, hüpft die Scheibe. Wenn sie geringfügig kleiner ist, zum Beispiel 3,8g, dann wurde das Surfen beobachtet.
“Wir sehen das Surf-Phänomen als eine kritische Form des Hüpfens an, wobei 3,8g die kritische Grenze darstellen”, sagte der Autor Kun Zhao. Der Minimalwert, bei dem der Stein das Potenzial zum Hüpfen hat, lag bei 3,05g.
Die Wissenschaftler stellten auch fest, dass die Richtung, in die die Scheibe oder der Stein gedreht wird, dessen Bahn und das Verhalten der Hüpfer (also den Winkel zwischen der Wasseroberfläche und der Flugrichtung) beeinflusst. “Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Haupteffekt der Rotation darin besteht, das Verhalten während der Kollision durch den Gyroeffekt zu stabilisieren”, sagte Zhao.
Die Rotation lenkte auch die Bahn der Scheibe während des Fluges ab. Eine Rotation im Uhrzeigersinn lenkte die Bahn nach rechts, während eine Rotation gegen den Uhrzeigersinn sie nach links ablenkte. “Unsere Ergebnisse bieten eine neue Perspektive für zukünftige Studien in der Luft- und Raumfahrtechnik, sowie im Schiffsmaschinenbau”, sagte Zhao.
(THK)
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